EL PROBLEMA DE LA CALIDAD DEL SUMINISTRO DE LA

LA CALIDAD DEL SUMINISTRO
DE LA
ENERGÍA ELÉCTRICA
Prof., Dr., Ing. Manuel F Cobas Pereira
INEL/UNE
Fac. Ing. Elect. ISPJAE
2
La electricidad como forma de energía
• En el Complejo Energía-Combustible la forma de
energía más versátil es, indudablemente, la energía
eléctrica, lo que está dado por la facilidad de su uso en
cualquier proporción, su accesibilidad y posibilidad de
conversión, de manera relativamente sencilla, a otros
tipos de energía. A ello es preciso agregar la facilidad de
su transportación económica a grandes distancias y en
grandes bloques, todo lo que le ha dado, desde la época
de su primera implementación práctica, una preferencia
indiscutible y un lugar sin competencia en la vida que
llamamos moderna.
VI JORNADA
¿Qué parámetros se incluyen en el
concepto de Calidad?:
3
• Confiabilidad del servicio
• Desviaciones de la frecuencia
• Desviaciones y fluctuaciones tensión
–
–
–
–
Desviaciones de la tensión nominal o de trabajo
Fluctuaciones rápidas de la tensión (flicker)
Modulaciones en la onda de tensión
Sobretensiones
• Distorsión de la onda de tensión y corriente
– Contenido de armónicos superiores en las ondas de
tensión y corriente
• Asimetría de las tensiones trifásicas
VI JORNADA
¿Qué parámetros se incluyen en el
concepto de Calidad?:
4
En lo referido a las perturbaciones de la tensión:
• Depresión, “bajón” de tensión (dip) es una reducción
repentina seguida por una recuperación después de un
corto período de tiempo (desde unos pocos ciclos hasta
unos pocos segundos).
• El bajón de tensión se caracteriza por el valor rms
debajo de determinado umbral que generalmente se
toma como 90% de la tensión de referencia Uref
parametrizándose por la profundidad del bajón de
tensión ∆U y por la duración de éste ∆t.
VI JORNADA
¿Qué parámetros se incluyen en el
concepto de Calidad?:
•
•
5
Las interrupciones de tensión es el bajón para 1-10%
de Uref y se caracterizan sólo por la duración.
Las perturbaciones de tensión son consideradas:
• ∆t < T/2
transitorias
• T/2 < ∆t < 30T
instantáneas
• 30T < ∆t < 3 s
momentáneas
• 3 s < ∆t < 1 min
temporales
• ∆t > 1 min
sostenida
VI JORNADA
6
¿Por qué la importancia
de este tema en la actualidad?
• La sociedad y la industria actual poseen una penetración
de altísimo grado en cuanto a equipamiento electrónico
de diversas generaciones, vinculados al control de
procesos, accionamiento, procesamiento de datos,
comunicaciones y transmisión de información,
dispositivos domésticos, comerciales y de
entretenimiento entre otros
• Los fabricantes de este equipamiento, en un mercado
competitivo, diseñan el burden de sus equipos en el
nivel de los normados por el sistema, de manera que las
desviaciones dentro de esos límites no afectan el
funcionamiento.
VI JORNADA
7
¿Por qué la importancia
de este tema en la actualidad?
• El uso extendido y progresivo de fuentes alternativas de
energía no convencional, como la eólica y la solar,
usualmente utilizan generadores con inversores,
esquemas híbridos en muchos casos conectados a las
redes de distribución. El proceso de conversión de cd a
ac conlleva la generación de armónicos.
• En el mundo la electricidad se trata como una mercancía
en un mercado con características peculiares, desde los
centralizados hasta los desregulados, por ello, la
definición de parámetros de calidad permiten determinar
las características de competitividad del producto de
determinado suministrador.
VI JORNADA
8
¿Por qué la importancia
de este tema en la actualidad?
• Una insuficiente calidad en el suministro de la energía
eléctrica afecta, en mayor o menor grado, a otras
tecnologías y procesos industriales, donde las pérdidas
económicas que se generan por este concepto pueden
llegar a ser importantes.
• La deficiente calidad en el suministro provoca una
operación ineficiente e impropia, entre otros, en las
redes eléctricas, conducente a averías o incremento en
los costos de operación, los que, al final, redundan en
pérdidas para las compañías del servicio eléctrico.
VI JORNADA
Algunas de las implicaciones de las
deficiencias en la calidad
del suministro eléctrico
• Con parámetros de tensión diferentes a los nominales o
de trabajo ocurre la aceleración del envejecimiento del
aislamiento de los equipos eléctricos, como
consecuencia de un calentamiento más intensivo y, en
una serie de casos como resultado del reforzamiento de
procesos de ionización. De aquí se deriva una
intensificación de las tasas de averías.
• Las desviaciones de tensión conllevan a un aumento del
calentamiento de motores eléctricos con momentos
constantes de carga (carga tipo transportador, elevador
etc.), acelerando el envejecimiento del aislamiento.
• La elevación de la tensión por encima de la nominal
conlleva a la disminución del tiempo de vida útil de
lámparas
9
VI JORNADA
Implicaciones de las deficiencias 10
en la calidad del suministro eléctrico
• La asimetría en la tensión también conlleva al
calentamiento adicional del equipamiento de fuerza y
disminuye su vida útil. Este defecto también influencia
negativamente en el funcionamiento de algunos
esquemas de protecciones por relés, provocando
operaciones erráticas y sacando de funcionamiento
equipos.
• La aparición de variaciones rápidas en la asimetría de
las tensiones trifásicas, características en circuitos
donde están conectados hornos de acero por arco
eléctrico, conllevan a la variación de los momentos de
torque en los motores eléctricos, lo que es causa de
aparición de esfuerzos adicionales en las cabezas de las
bobinas de las máquinas, su vibración y tensiones de
fatiga en elementos mecánicos constructivos del propio
motor y el accionamiento, lo que trae como resultado
una disminución de su tiempo de vida.
VI JORNADA
11
Implicaciones de las deficiencias
en la calidad del suministro eléctrico
• Las variaciones de la tensión actúan de diferente
manera en los distintos tipos de equipamiento eléctrico.
Por ejemplo, en las baterías de condensadores
utilizados para la compensación de potencia reactiva
provoca procesos transitorios que conducen a la
sobrecarga de los condensadores por corriente y en
casos por tensión, como resultado de lo cual la batería
puede salir de servicio en un período, a veces,
significativamente rápido en dependencia de la magnitud
de la perturbación.
• En el caso de los motores las variaciones de tensión
conducen al calentamiento adicional y a la variación del
momento al eje. Los bajones de tensión para los
motores asincrónicos tienden a frenarlos y a procesos
de rearranques, pudiendo llegar a situaciones de disparo
de
protecciones,
sobretodo,
cuando
trabajan
simultáneamente grupos de motores.
VI JORNADA
12
Implicaciones de las deficiencias
en la calidad del suministro eléctrico
• La presencia de armónicos superiores conducen a la
aceleración del envejecimiento del aislamiento, al
calentamiento adicional de las partes conductoras de los
equipos e instalaciones, al incremento de las pérdidas
de energía en las redes, a la operación errática de los
esquemas de protecciones eléctricas, al envejecimiento
acelerado de las baterías de condensadores provocando
su fallo, etc.
• La presencia de armónicos superiores también implican
el aumento de las pérdidas parásitas e histerésicas en
los núcleos de motores y transformadores, tanto del
sistema eléctrico como de los propios consumidores. De
igual manera crean interferencias en los servicios de
comunicaciones y transmisión de datos.
VI JORNADA
13
Implicaciones de las deficiencias en la
calidad del suministro eléctrico
• La práctica ha demostrado el incremento del error en las
lecturas de metros contadores de energía del tipo de
inducción ante la presencia de armónicos, además de
daños mecánicos producidos por los armónicos de
orden 3n+2 cuando estos son significativos, lo que
recomienda la no utilización de este tipo de metro en
redes o consumidores contaminados.
• La reducción de la frecuencia conduce a una
disminución de la productividad de los accionamientos
eléctricos, al trabajo inestable de equipos electrónicos,
de mediciones y de sistemas de protecciones. En las
centrales termoeléctricas tiene también influencia en las
vibraciones de las turbinas, las que tienen bandas
estrictas de variaciones admisibles de este parámetro.
VI JORNADA
14
Implicaciones de las deficiencias en la
calidad del suministro eléctrico
• La experiencia de los sistemas industriales ha
demostrado una dependencia entre la disminución de la
confiabilidad y la disminución de los parámetros de
calidad del suministro eléctrico.
• La disminución de la tensión en determinados niveles
trae como consecuencia el aumento de las demandas
de potencia reactiva de los equipos eléctricos, esto
conduce al aumento de las pérdidas de energía en las
redes y al empeoramiento progresivo de las condiciones
de tensión.
• La presencia de armónicos superiores en los sistemas
implica el aumento de pérdidas en las líneas y la
aparición de posibles condiciones de resonancia que
provocan sobretensiones permanentes y transitorias en
eventos de conmutación.
VI JORNADA
15
Equipamiento
Depresiones
de tensión
<0.5s >0.5s
Sobretensiones
Armónicos
Desbalance
Fluctuaciones
de tensión
Motores asincrónicos
Motores sincrónicos
Actuadores
Accionamiento de
velocidad
Dispositivos de
procesamiento de datos,
control numérico
VI JORNADA
16
Equipamiento
Depresiones
de tensión
<0.5s >0.5s
Sobretensiones
Armónicos
Desbalance
Fluctuaciones
de tensión
Hornos de inducción
Iluminación
Bancos de capacitores
Transformadores
Inversores
Interruptor
Cables
VI JORNADA
17
Consumidores contaminantes de la red
• Existen consumidores altamente contaminantes de la
red, al tener equipos, en muchos casos de envergadura,
que significan cargas alineales grandes generadoras de
armónicos, tales son los casos de los hornos de
fundición por arco eléctrico, los equipos de soldadura
por arco, los equipos numéricos, los equipos de
cómputo, los laminadores, etc.
• Las fuentes alternativas de energía no convencional,
como la eólica y la solar, usualmente utilizan
generadores con inversores, esquemas híbridos en
muchos casos conectados a las redes de distribución. El
proceso de conversión de cd a ac conlleva la generación
de armónicos.
VI JORNADA
Por qué las cargas alineales son
contaminantes de la red eléctrica?
18
i
u
I x= 0
u
i
i
I x= 0
u
i
VI JORNADA
19
Por qué las cargas alineales son
contaminantes de la red eléctrica?
zi
∞
i = ∑ ik
k=1
+
e
u
za
zb
za
zb
zi
+
e
u
k=1
zi1
e
=
∞
∑ ik
+
u1
=
zi2
za1
zb1
i1
+
u2
za2
zb2
i2
+…
VI JORNADA
20
%
THD
100
Accionamiento de
velocidad variable
44%
50
0
1
5
7
11
13
17
19
23
25
h
100
Rectificadores/cargadores
28%
50
h
0
1
5
7
11
13
17
19
100
Dispositivos de
procesamiento de datos
115%
50
h
0
1
3
5
7
9
11
13
100
Iluminación
fluorescente
53%
50
h
0
1
3
5
7
9
11
13
VI JORNADA
Contaminantes de la red con las
perturbaciones de la tensión
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
21
Situaciones que conllevan a altas corrientes, causando caídas de
tensión en las impedancias de la red.
Fallas en los circuitos de transmisión y distribución.
Recierres automáticos en los esquemas de protecciones de la red.
Conexión y desconexión de grandes cargas ( motores asincrónicos,
hornos por arco eléctrico, máquinas de soldar, calderas eléctricas,
etc) en función de las potencias de cortocircuito en los puntos de
instalación.
Fallas del aislamiento.
Condiciones de ferroresonancia.
Fallas longitudinales en el del neutro de los sistemas.
Sobrecompensación de potencia reactiva
Conmutaciones en los sistemas de transmisión y distribución.
Descargas atmosféricas (impactos directos e inducidos).
VI JORNADA
Responsabilidad en el aseguramiento
de la calidad del Servicio Electrico
22
• El papel principal en la calidad del servicio eléctrico
recae, por supuesto, en la empresa del servicio público,
la que debe mantener los parámetros de tensión y
frecuencia en los valores nominales o de trabajo en todo
momento, pero tienen una incidencia muy importante los
propios consumidores, causantes de contaminación de
la red, desde los consumidores del sector residencial
hasta los grandes consumidores industriales.
• La contaminación del sector residencial hacia la red es
fundamentalmente de carácter extensivo, pues el peso
relativo de un solo consumidor es insignificante.
VI JORNADA
Indicadores de la Calidad de la
Energía y su cálculo
23
Desviación de la tensión (fluctuación lenta)
U - Unom
∆U= ----------------* 100
Unom
Fluctuación rápida de tensión (parpadeo, flicker)
½
Pst= (0.0314 P0.1 + 0.0525P1 + 0.0657P3 + 0.28P10 + 0.08P50)
Pst Indice de severidad del flicker de corta duración
P0.1, P1, P3, P10, P50 niveles de efecto flicker que se
sobrepasan durante el 0.1%, 1%, 3%, 10%, 50% del
tiempo total del período de observación
VI JORNADA
24
Indicadores de la Calidad de la
Energía y su cálculo
• Bajón de tensión
por debajo del 90% del Uref caracterizado por la
magnitud efectiva y la duración
∆t < T/2
transitorias
• T/2 < ∆t < 30T
instantáneas
• 30T < ∆t < 3 s
momentáneas
• 3 s < ∆t < 1 min temporales
• ∆t > 1 min
sostenida
VI JORNADA
25
Indicadores de la Calidad de la
Energía y su cálculo
Distorsión de la onda de tensión (o corriente)
Vi
Vi’ =-------- * 100 valor porcentual de la tensión del armónico i
Vnom
40
2
1/2
Thd= ﴾ (∑(V ) ) / Vnom
i
distorsión total de armónicos
2
V
i
valor efectivo de los armónicos superiores
VI JORNADA
26
Indicadores de la Calidad de la
Energía y su cálculo
Asimetría de la tensión
K2 = 100* U2 / U1 coeficiente de secuencia negativa
U1= 0.33 ( Uab + Ubc + Uca )
U2 = 0.62 ( Udmax – Udmin )
Udmax y Udmin mayor y menor desbalance entre las
magnitudes de tensión
K0 = 173 U0/ U1 coeficiente de secuencia cero
VI JORNADA
27
Normas para valorar la Calidad del
Suministro de Energía Eléctrica
En Cuba:
Normal
Máximo
+ 0.2 ; - 0.3 Hz
+0.4 ; - 0.4 Hz
Las desviaciones de tensión: +10% ; - 10%
VI JORNADA
28
Normas para valorar la Calidad del
Suministro de Energía Eléctrica
Las normas establecidas por el IEC al respecto son:
IEC 60050-161
IEC 61000-2-1
IEC 61000-3-2
IEC 61000-3-6
IEC 61000-3-7
IEC 61000-4-7
IEC 61000-4-13
IEC 61287-2-TS
IEC 61642
IEC 61786
VI JORNADA
29
Normas para valorar la Calidad del
Suministro de Energía Eléctrica
En ella se han considerado los siguientes fenómenos perturbadores:
•
•
•
•
•
•
•
•
Armónicos
Interarmónicos
Fluctuaciones de tensión
Caídas de voltajes e interrupciones cortas del
suministro
Desbalances de tensión
Señales principales
Variaciones de frecuencia
Componentes de cd en los sistemas de ca VI JORNADA
30
Nivel de calidad
del suministro eléctrico
• La IEC 60050-161 establece como compatibilidad
electromagnética, a la habilidad de un equipo o sistema
de funcionar satisfactoriamente en su entorno
electromagnético sin introducir perturbaciones
electromagnéticas intolerables a nadie en ese entorno.
• Una vía de asegurar los niveles de compatibilidad es
especificar los límites de emisiones del usuario con
suficiente margen por debajo de los niveles de
compatibilidad, lo que es posible en las instalaciones
grandes según IEC 61000-3-6 e IEC 61000-3-7.
• En baja tensión se establecen límites de emisión para
familias de equipos (IEC 61000-3-2)
VI JORNADA
31
Nivel de calidad del suministro eléctrico
• A partir de los niveles de inmunidad del equipamiento se
pueden esperar niveles apropiados de comportamiento
del sistema a perturbaciones en diferentes clases de
entornos electromagnéticos, como por ejemplo podría
ser, sólo con propósitos indicativos (no como norma):
Perturbación
Variación de tensión ∆U/Un
Bajón de tensión
∆U/Un
∆t (cantidad de semiciclos)
Interrupciones cortas
Desbalances (U2/U1)
Variaciones de frecuencia∆f/fn
Clase1
+ - 8%
10%-100%
1
ninguna
2%
+ - 1%
Clase2
+ - 10%
10%-100%
1-300
2%
+ - 1%
Clase3
+10% - 15%
10%-100%
1-300
<= 60
3%
+ - 2%
VI JORNADA
Normas para valorar la Calidad del
Suministro de Energía Eléctrica
32
Es muy utilizada la norma IEEE-519-92 que referentes a la emisión de
armónicos de tensión establece las siguientes prescripciones:
Distorsión de tensión de
Distorsión total
la tensión en los
Armónicos individuales, %
thd, %
Hasta 69 kV
3.0
5.0
69-161 kV
1.5
2.5
Más de
1.0
1.5
Para bajas tensiones se establecen valores normativos mayores
que los arriba indicados, siendo los valores máximos del thd hasta 1
kV de 6% para los impares y 3% para los pares.
VI JORNADA
Normas para valorar la Calidad del
Suministro de Energía
33
La distorsión de corrientes en sistemas de transmisión > 161 kV , la
citada norma los estipula de la siguiente manera:
Número de orden de los armónicos individuales
Icc/Icarga
<50
>50
Nota:
<11
2.0
3.0
11<h<17
1.0
1.5
17<h<23
0.75
1.15
23<h<35
0.3
0.45
35<h
0.15
0.22
thd
2.5
3.75
los armónicos pares se limitan al 25% de los impares
En el caso de K2 y K0 se establecen los valores de 2% como normal
y 4% como máximo para ambos en cualquier nivel de tensión
VI JORNADA
Normas para valorar la Calidad del
Suministro de Energía
34
VI JORNADA
Acciones para mejorar la Calidad del
Suministro de la Energía Eléctrica
35
• una dirección importante en la regulación de la calidad
de la energía se realiza en el propio consumidor
– las variaciones de carga que provocan grandes
afectaciones en los sistemas radican en los propios
consumidores, estas variaciones afectan el
comportamiento de todo el sistema y, en especial, del
resto de las cargas conectadas en la barra del mismo
consumidor.
– el punto donde se logra mayor economía en la
implementación de medidas para mejorar la calidad
del servicio es en las barras del usuario
VI JORNADA
36
Acciones para mejorar la Calidad del
Suministro de la Energía Eléctrica
De tal manera se precisa de una compensación adecuada
de la carga reactiva del consumidor, para lo cual ha de
disponerse por parte de éste de los bancos de
capacitares requeridos, con el sistema de regulación
adecuada para lograr un alto factor de potencia estable
que, cuando la carga varía en un amplio margen, se
requiere de bancos regulados.
La práctica actual en estos casos es el empleo de SVC
VI JORNADA
37
Control sobre los
parámetros de calidad
Los órganos regulatorios de los países establecen
diferentes regulaciones y normas para la actividad del
control de las empresas del servicio eléctrico sobre los
parámetros de calidad de la energía suministrada. Estas
normas estipulan las bases estadísticas que se deben
llevar, la forma de hacer las mediciones y muestreos, los
instrumentos que deben ser utilizados en ese propósito
y el análisis sobre las desviaciones estadísticas, de
manera tal que sirvan de base a las auditorías que
aquellos realizan y, además, que puedan servir como
base de evidencias ante distintas reclamaciones de las
partes protagonistas del servicio eléctrico en cada país.
VI JORNADA
La Calidad del Suministro de
Energía Eléctrica en Cuba
•
•
•
•
38
El marco regulatorio del país en cuanto al Sistema
Electroenergético Nacional está en actual revisión
No existe una plena conciencia en productores, distribuidores y
consumidores sobre la importancia extrema de darle un
seguimento, control y estipulaciones rígidas a este tema.
Puede realmente decirse que hoy día la calidad en la energía
suministrada es deficiente y en ello inciden tanto los productores y
distribuidores
Algunos consumidores son especialmente contaminantes en grado
superlativo, con grandes afectaciones al sistema, al resto de los
consumidores y a él mismo
VI JORNADA
La Calidad del Suministro de
Energía Eléctrica en Cuba
39
VI JORNADA
La Calidad del Suministro de
Energía Eléctrica en Cuba
40
VI JORNADA
La Calidad del Suministro de
Energía Eléctrica en Cuba
41
VI JORNADA
La Calidad del Suministro de
Energía Eléctrica en Cuba
42
VI JORNADA
La Calidad del Suministro de
Energía Eléctrica en Cuba
43
VI JORNADA
44
Conclusiones
• La cuestión de la Calidad en el Suministro de la Energía
Eléctrica es un tema de importancia vital, tanto para el
productor y distribuidor de energía eléctrica como para
los consumidores del sistema.
• La no observancia de los indicadores requeridos de
Calidad de la Electricidad implica el crecimiento de
averías, pérdidas y daños económicos que, por
significativo en unos casos y continuados en otros,
representan una pérdida general para la economía del
país que requiere de acciones planificadas y controles
permanentes.
VI JORNADA
Conclusiones
45
• En la actualidad el marco regulatorio del país en cuanto
al mercado de la electricidad, no es riguroso en este
tema. Además de ello, no están implementados en las
organizaciones de las redes eléctricas programas de
trabajo que lleven un control permanente de los
consumidores contaminantes de la red, el grado de
contaminación y el acuerdo de medidas para limitar los
efectos nocivos que ello implica.
• La Calidad del Suministro de la Energía Eléctrica es una
responsabilidad, en primer lugar, de las empresas del
servicio público en este sector, quienes son gestoras de
este servicio y, por tanto, de la calidad del mismo. Sin
embargo, por la incidencia que tienen en los
consumidores y por ser estos los que tienen una
incidencia prioritaria en la contaminación de la red,
resulta para ellos también una responsabilidad
importante a observar, la que se refrenda en un marco
regulatorio y se realiza a través de los contratos de
VI JORNADA
compra venta del servicio.
46
Conclusiones
• Hoy día están implementadas acciones que tienden a
corregir esta situación, las que no sólo implican acciones
legales y organizativas sino también inversiones
puntuales, fundamentalmente en los consumidores
contaminantes, las que pueden ser de envergadura en
dependencia del caso concreto.
• Para todas las acciones que se vayan a ejecutar es
preciso, ante todo, implementar normas bien
fundamentadas, basadas en la experiencia internacional
en este tema, siendo los trabajos y normas del IEC un
punto de partida importante para la organización de esta
actividad.
VI JORNADA
47
La calidad del suministro
de la energía eléctrica
MUCHAS GRACIAS
VI JORNADA